En nyskabelse af grafen, der er musik i dine ører

Lidt over 15 år siden et par forskere i Storbritannien brugte klæbende tape til at isolere enkelte atomlag af kulstof, kendt som grafen, fra en luns grafit, deres nobelprisvindende opdagelse har givet næring til en revolution inden for forskning og udvikling af ultratynde materialer.

Grafen og andre atomisk tynde "2-D" materialer udviser eksotiske egenskaber, som forskerne håber at kunne udnytte til en række anvendelser – fra mindre transistorer pakket ind i mere kraftfulde og kompakte computerprocessorer, til mindre og mere præcise sensorer, fleksible digitale skærme, og en ny bølge af kvantecomputere.

Forskere ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har hjulpet med at fremme denne forskning i ultratynde materialer på en række fronter, inddrage specialiserede værktøjer og teknikker til at lave dem og til at studere deres struktur og egenskaber på nanoskala og atomær skala.

Nu bevæger et Californien-baseret firma ved navn GraphAudio (https://www.graphaudio.com/) sig i retning af at kommercialisere grafen-baseret lydteknologi udviklet af forskere ved Berkeley Lab og UC Berkeley i et forsøg på at stimulere en lydrevolution.

Ramesh Ramchandani, GraphAudio CEO, sagde, at virksomhedens mål er at bruge den licenserede teknologi til at fremstille grafenkomponenter, som andre virksomheder inkorporerer i deres produkter.

Han sagde, at han forventer, at GraphAudios teknologi - som kan være tilgængelig for forbrugerne inden for et eller to år - vil være grafenkomponenter i øretelefoner og forstærkere, der er integreret i produkter fremstillet af etablerede producenter af lydprodukter.

Teknologien licenseret fra Berkeley Lab i 2016, som vedrører brugen af ​​grafen i en lydproducerende komponent kendt som en transducer, kunne transformere en række forskellige enheder, inklusive højttalere, øretelefoner og høretelefoner, mikrofoner, autonome køretøjssensorer, og ultralyds- og ekkolokaliseringssystemer.

"Vi har arbejdet på grafen-baserede materialer og strukturer i en årrække nu, og denne transducer er en af ​​de applikationer, der kom ud af det, " sagde Alex Zettl, en senior videnskabsmand ved Berkeley Lab og en fysikprofessor ved UC Berkeley, som er medopfinder af teknologien licenseret af GraphAudio. Den anden opfinder er Qin Zhou, en tidligere Berkeley Lab postdoc-forsker, som nu er assisterende professor ved University of Nebraska-Lincoln.

Transduceren udviklet gennem deres teams forskning bruger en lille, flere lag tyk grafenfilm kaldet en membran, der omdanner elektriske signaler til lyd.

"Det er lidt som et trommeskind, med en cirkulær ramme og membranen strakt over den, " sagde Zettl. Grafenmembranen måler omkring en centimeter på tværs. Membranen og den bærende ramme er klemt ind mellem siliciumbaserede elektroder, der drives med vekselspændinger.

De elektriske felter får grafenmembranen til at vibrere og skabe lyd på en effektiv, kontrolleret måde. Dette design, kendt som en elektrostatisk transducer, kræver færre dele og langt mindre energi end mere konventionelle designs, som kan kræve elektriske spoler og magneter.

"Når vi kører den med et elektrisk lydsignal, den fungerer som en højttaler, " sagde Zettl.

I nogle populære in-ear-hovedtelefoner, kun omkring 10 procent af den elektriske energi bliver omdannet til lyd, mens resten går tabt som varme. Grafen transduceren, selvom, konverterer omkring 99 procent af energien til lyd, han sagde.

Også, grafentransduceren er næsten forvrængningsfri og har en ekstrem "flad" respons på tværs af en meget bred vifte af lydfrekvenser - endda langt ud over, hvad det menneskelige øre er i stand til at høre. Det betyder, at lyden er af samme kvalitet på tværs af en bred vifte af høje og lave frekvenser - "ikke kun i lydbåndet, men fra subsonisk hele vejen til ultralyd, " sagde Zettl. "Dette er stort set uden fortilfælde."

På grund af denne store båndbredde, den grafenbaserede transducer kunne bruges til ekkolokaliseringssystemer til ubådskommunikation, ultralydssystemer til at lokalisere overlevende i et murbrokker miljø, og til billeddannelse af høj kvalitet af menneskelige fostre i livmoderen, som eksempler.

Og de samme egenskaber, der får grafentransduceren til at fungere godt i højttalere, kan også give højkvalitetsmikrofoner, Zettl bemærkede. "Vi demonstrerede begge teknologier i vores laboratorium. Begge har potentiale til at blive kommercialiseret."

Ramchandani fra GraphAudio sagde, at GraphAudios prøvehovedtelefoner og mikrofoner, som virksomheden demonstrerede på Consumer Electronics Show i januar, resulterede i nogle produktive diskussioner med potentielle partnere, og nogle forbrugeroplevelser, som han sagde, fremkaldte et "Wow"-svar.

Virksomheden hævder, at lydkvaliteten af ​​dets teknologi er så krystalklar, at det er muligt at udvælge et individuelt instruments toner fra et symfoniorkester.

Ramchandani bemærkede, at fladskærms-tv-teknologi næsten har erstattet større og tungere katodestrålerør-fjernsyn, og han forventer den samme form for transformation i lydprodukter.

Blandt de produkter, der kunne opstå fra GraphAudios licenserede teknologi, er tynde bilhøjttalere indlejret i et køretøjs indvendige loft for en forbedret surround-sound-oplevelse, og forbedrede bilsensorer, der er afhængige af to-vejs ekkolokalisering for at undgå kollisioner.

Zettl sagde, at hans team fortsætter sin R&D-indsats med ultratynde materialer og nanostrukturer.

Hans teammedlemmer har specialer lige fra kemi og fysik til maskinteknik og materialevidenskab, og forskerne er hyppige brugere af Berkeley Labs Molecular Foundry, et videnskabeligt anlæg i nanoskala; og den avancerede lyskilde, som producerer lysstråler, der kan bruges til at studere materialer i bittesmå skalaer.

"Jeg ville ikke være i stand til at udføre noget af dette arbejde uden de studerende og postdoktorale forskere og de faciliteter, der er her på Berkeley Lab, " sagde Zettl.

Medlemmer af hans forskerhold bruger rutinemæssigt atomopløsningsmikroskoper på Molecular Foundry til at udforske strukturen af ​​ultratynde materialer, for eksempel. Og teammedlemmer bruger også røntgenstråler produceret af Advanced Light Source til at undersøge andre egenskaber ved materialer, der kunne gøre dem velegnede til bestemte applikationer, bemærkede han.

Et nyt træk i hans teams forskning er at udforske, hvordan man laver nye typer mekaniske transducere med ultratynde materialer, der er fremstillet med justerbare elastiske egenskaber - muliggjort af præcist mønstrede huller eller slidser i nanoskala.

Ud over deres brug i nye transducerkonfigurationer, sådanne perforerede membraner kunne også være nyttige til anvendelser lige fra vandfiltrering til genetisk sekventering.

"At være i stand til at arbejde på ting, der har reelle applikationer og offentlige fordele - det er rart at se den fulde progression, " sagde Zettle. "Jeg er begejstret for at kunne se disse applikationer komme ud af dette. For mig er det personligt givende."

Virksomheden demonstrerede teknologien på 2020 Consumer Electronics Show (CES) i januar.